【正文】 研。主要研制 155mm 炮彈末敏子彈，采用8mm 波段 [9]毫米波輻射計、輻射計和雙色紅外復(fù)合探測器。在滿足角分辨率和目標(biāo)識別要求的條件下，8mm 波段探測器對地面裝甲目標(biāo)的有效敏感距離≤120m。隨著毫米波固態(tài)器件及單片集成電路的逐漸成熟，3mm 波段的探測器的研究已經(jīng)取得了長足的進(jìn)展 [7]。本文主要研究了 3mm 波段脈沖毫米波輻射計(主動)探測技術(shù)。計算分析了 3mm 毫米波輻射計系統(tǒng)對裝甲目標(biāo)及對地的作用距離。(2)選擇了 3mm 波段脈沖毫米波輻射計系統(tǒng)中各組成部分包括天線、本振器、混頻器、中頻放大器、濾波器、檢波器、視頻放大器、信號處理器和發(fā)火控制信號。中 北 大 學(xué) 2022 屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 4 頁 共 35 頁2 毫米波被動探測系統(tǒng)2. 1 毫米波近炸引信近年來，隨著對毫米波系統(tǒng)需求的增長，毫米波技術(shù)在研制發(fā)射機、接收機、天線以及毫米波器件等方面有了重大突破，毫米波近炸引信進(jìn)入了廣泛應(yīng)用的新階段 [10]。 毫米波引信特性1. 頻帶極寬在 35GHz、94GHz、140GHz 和 220GHz 4 個主要大氣窗口中可利用的帶寬分別為 16GHz、23GHz、26GHz 和 70GHz，均接近或大于整個厘米波頻段的寬度，適用于各種寬帶信號處理；由于可用帶寬大，有利于采取擴譜工作方式，使敵方在不精確知道引信系統(tǒng)的工作頻率時，更難于進(jìn)行干擾。3. 毫米波散射特性對目標(biāo)形狀的細(xì)節(jié)敏感 [11]。毫米波引信的缺點主要是受大氣衰減和吸收的影響大，目前作用距離大多限于數(shù)十公里之內(nèi)。2．2 毫米波輻射計作用原理毫米波輻射計利用地面目標(biāo)與背景之間毫米波輻射的差異來探測及識別目標(biāo)。當(dāng)輻射計天線波束在地面背景與目標(biāo)之間掃描時，由于目標(biāo)與背景（地面）之間的毫米波輻射溫度不同，輻射計輸出一個脈沖，利用此脈沖的高度、寬度等特征量，可識別地面目標(biāo)的存在。 3mm波段毫米波輻射計設(shè)計框圖本系統(tǒng)是根據(jù)脈沖測距法，用毫米波脈沖體制測距，其結(jié)構(gòu)框圖如下圖（2—1）所示混頻器 中頻 放大器 檢波器 視頻 放大器發(fā)射源隔離器 隔離器本機振蕩器調(diào)制器測距電路測距輸出 圖 2—1 毫米波輻射計調(diào)制原理圖發(fā)射源發(fā)射毫米波脈沖調(diào)制信號，經(jīng)環(huán)流器及天線向目標(biāo)發(fā)射，回波經(jīng)環(huán)流器進(jìn)入混頻器，在混頻器中，本振信號與回波信號進(jìn)行混頻，差頻輸出經(jīng)中頻放大器放大后送入檢波器。放大信號通過測距電路測出毫米波輻射計與目標(biāo)之間的距離 [12]。根據(jù)天線理論可知，半功率點波束角的一半，即天線半波束角 θ 為 （2——1）2ad?????中 北 大 學(xué) 2022 屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 6 頁 共 35 頁式中 d——天線口徑直徑； ρ a——天線口徑效率。（2） 輻射計信噪比與距離的關(guān)系。根據(jù)以上計算公式及曲線可確定輻射計的主要指標(biāo)。一般來說，相對介電系數(shù)較高或電導(dǎo)率較高的物質(zhì)，發(fā)射率較小，反射系數(shù)高。如下圖（圖 2——2） ，圖（2——3）所示：中 北 大 學(xué) 2022 屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 7 頁 共 35 頁圖 2—2 94GHz 的表面輻射溫度物體 發(fā)射率 94GHz 輻射溫度陸地背景 水面背景 靜止戰(zhàn)車 運動戰(zhàn)車 靜止隱身戰(zhàn)車 運動隱身戰(zhàn)車 圖 2—3 94GHz 裝甲目標(biāo)與背景的毫米波輻射溫度黑體輻射的亮度與輻射的方向無關(guān)，而灰體輻射的亮度與方向有關(guān)。均勻等溫物質(zhì)的表面的發(fā)射率ε(θ,φ) 則定義為亮度與同一溫度下黑體亮度的比值，即中 北 大 學(xué) 2022 屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 8 頁 共 35 頁(,)(,)=BbT??????（ ， ）而B(θ，φ)≤B bb,0≤ε(θ,φ) ≤1故實際物體的亮度溫度小于或等于它的熱力學(xué)溫度。它的取值范圍為[0，1]，其中黑體的發(fā)射率為1，即黑體的表觀溫度就是它的實際溫度。物體本身的毫米波輻射信號十分微弱，需要通過高靈敏度輻射計獲得。測量模型如下圖（圖2—4）： 圖2—4 目標(biāo)輻射特性測量示意圖對地面金屬目標(biāo)的識別，假設(shè)目標(biāo)正好充滿整個波束，大氣衰減忽略不計。當(dāng)天線波束掃描到金屬目標(biāo)，天線附近溫度為 （2——6）BTSTat???式中 ——金屬目標(biāo)的反射系數(shù)T? 地面和金屬目標(biāo)的對比度為中 北 大 學(xué) 2022 屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 9 頁 共 35 頁 （2——7）(,)TBgiBTpf??????又有公式 （2——8）(,)()(BgigSgf????將式（2——8）和式（2——6）代入式（2——7）得 （2——9）()()+()()()TgSgattgatTsatT???????????為了分析方便，假設(shè)天空無云，即 Tat=0,則式（2——9）簡化為 （2——10）()()TgSgS???設(shè) TS=50K；T g=300K；ρ g=；ε g=；ρ T=1，代入式（2——10）得=。在 Ka 波段，對于理想導(dǎo)體的光滑表面，如汽車、坦克、金屬導(dǎo)體，其反射率接近 1，且與入射角和極化方式無關(guān)。垂直觀察時，由式（2——10）可得，在 Ka 波段，其典型數(shù)據(jù)為 TS=34K，ρ g=，ε g=，ρ T=1。由此可見金屬目標(biāo)與地面之間有較gT?高的輻射溫度對比度，因此檢測 就能識別地面上的金屬目標(biāo) [15]。3．3 3mm 毫米波輻射計作用距離分析計算（1） 設(shè) AT=5m2,λ=10 3m,由式（2—4）計算出兩種天線口徑下，作用距離與占空比 FB之間的關(guān)系如下所示：當(dāng) d=，R=60m 時 ????（ ） ?（ ）?當(dāng) d=, R=60m 時 ???（ 1） ??（ ）（2） 設(shè)晴天時，當(dāng)ΔT T=256K；d=150mm；B=500MHz；F m=；A F=5m2；η=；τ=10ms T0=290K；λ=10 3。則可計算出 SNR 與作用距離 R 的關(guān)系如下： 24 ()? ??????8當(dāng) d=200mm 時， 24 63350. ()??????.83．4 3mm 脈沖毫米波輻射計天線的選擇 天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)、天線性能(l)天線方向圖、波束寬度及旁瓣電平描繪天線在固定距離的球面上輻射強度(或輻射能量)分布情況的曲線圖稱為天線方向性圖(簡稱方向圖)。工程上常采用兩個正交的主平面(E 面和 H 面)上的方向圖來表示天線的方向性。方向圖中有許多波瓣，輻射方向圖的主(或較大的)瓣在最大增益的方向，所有其他的瓣稱為旁瓣或副瓣。如半功率波束寬度定義為歸一中 北 大 學(xué) 2022 屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 12 頁 共 35 頁化輻射強度最大值的一半所對應(yīng)的兩個方位角之間的角度，也稱 3dB 波束寬度，以獲得高的角分辨率和天線增益。因此，旁瓣電平是影響天線性能的一個重要參數(shù)。(2)方向性系數(shù)和天線增益方向性系數(shù)是指在相同的總輻射功率下，某天線產(chǎn)生于最大輻射方向的輻射強度與理想的無方向性天線產(chǎn)生于同一點的輻射強度比值。各毫米波天線特性縫隙天線：線結(jié)構(gòu)簡單、強度好、特別適用作為各種彈丸上的嵌裝式天線。喇叭天線：通常用作反射天線和透鏡天線的饋源，或作為陣列天線的單元輻射器。微帶天線：體積小、重量輕、成本低、與毫米波集成電路的兼容性好；具有多頻帶、多極化工作的特點；問題是頻帶窄、功率容量、頻率上限和應(yīng)用范圍受材料和部件限制。在毫米波頻段分為兩類：快波型和慢波型。混頻器一般是有多個非線性元件、本振源、濾波電路和輸出、輸入所組成的非線性網(wǎng)絡(luò)。要選擇適當(dāng)?shù)碾娐沸问?，充分利用半?dǎo)體的潛力，最大限度的降低混頻器的變頻損耗和噪聲系數(shù)。單端混頻器結(jié)構(gòu)簡單，但要求本振功率高，且本振泄漏大，變頻損耗高，本振調(diào)幅噪聲大。借助電路的對稱性，同單端混頻器相比，單平衡混頻器帶寬增加，變頻損耗改善，組合干擾減少。毫米波混頻器主要采用單平衡混頻方式。該電路結(jié)構(gòu)使端口隔離大為提高，本振和混頻器產(chǎn)生的部分諧波分量可在二極管對中抵消，提高混頻器的頻譜純度，改善變頻損耗?；祛l器變頻損耗為： LC=L1+L2+L3 式中:L 1為射頻端口和中頻端口不匹配而引起的失配損耗；L 2為二極管的結(jié)電容 Cj和串聯(lián)電阻 Rs所引起的寄生損耗，C j和 Rs隨本振功率大小而變化，通過調(diào)整本振功率，可使 L2最小，此時，本振功率有一最小值；L 3為理想二極管的固有結(jié)損耗，當(dāng)管子參數(shù)一定時，隨本振功率的增大而減小。噪聲系數(shù)定義為：F=輸出信噪比 IF/輸入信噪比混頻器的單邊帶噪聲系數(shù) FSSB=tmFc式中：t m——混頻器噪聲溫度比，在毫米波段約為 ～。兩只梁式引線混頻二極管反向安裝在鰭線與微帶之間，形成本振反相，信號同相結(jié)構(gòu)，使其具有良好的信號本振隔離?；祛l管對于射頻和本振來說是負(fù)載，而對中頻來說是源，分別考慮射頻回路、本振回路和中頻回路，使每一個回路分別在一定的頻率范圍內(nèi)達(dá)到電路和器件的良好匹配和低插損，再利用阻抗關(guān)系即兩個二極管對射頻信號呈串聯(lián)關(guān)系，而對本振及中頻信號相應(yīng)頻率呈并聯(lián)關(guān)系，對其匹配得到電路尺寸。 方案選擇毫米波固態(tài)源實際上是一種換能器，把直流功率變換為毫米波輻射計功率，利用器件固有的非線性特性與器件中的電流作用來產(chǎn)生毫米波振蕩。用固態(tài)器件做成的發(fā)射機體積小、性能可靠、對電源功率容量要求低，因此在機動靈活的電子對抗中頗受歡迎。中 北 大 學(xué) 2022 屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 15 頁 共 35 頁 振蕩源設(shè)計振蕩器電路的截面如下圖所示：圖 32 振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖采用加工方便、成本低、體積小的薄形波導(dǎo)腔體作為發(fā)射源振蕩腔體。為了獲得適當(dāng)?shù)念l率和最大輸出功率，在二極管之后沿波的傳播方向置一可調(diào)的短路活塞。脈沖調(diào)制器必須提供穩(wěn)定性高、上升時間快且起伏很小的電流脈沖，還必須提供適當(dāng)?shù)碾娏餍逼抡{(diào)節(jié)，最好具有對電流脈沖局部小段上的電流大小和斜率的控制。我們選擇的脈沖調(diào)制器指標(biāo)如下：輸出電流脈沖 15A，脈沖寬度 50～1OOns，脈沖周期 19μs，脈沖電壓≥20V。輻射計設(shè)計中也不例外，除了以上的考慮之外，隔離器還會影響到定標(biāo)，本節(jié)將從定標(biāo)的角度來考慮隔離器的選擇。當(dāng)本振功率為 10dBm，在 1OOMHz 內(nèi)的載噪比為 C/N=168dB，中 北 大 學(xué) 2022 屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 16 頁 共 35 頁本振單位赫茲帶寬內(nèi)的輻射功率為 OLCPN?? (3——1)=10685dBOLTkl (3——2)19840()PK?? (3——3)OLRMRLT?LLR，混